Three-dimensional XUV and X imaging.

Le rayonnement XUV à X possède des caractéristiques qui le rend particulièrement attractif pour l’imagerie et en particulier l’imagerie en 3 dimensions. D’une part, la courte longueur d’onde (0.01 nm à 50 nm typiquement) permet d’améliorer la résolution spatiale par rapport à de l’imagerie visible en diminuant fortement la limite de diffraction. D’autre part, pour des longueurs d’onde inférieures à 1nm typiquement, la matière commence à devenir transparente, quel qu’en soit la nature. Il faut noter qu’il existe une gamme spectrale réduite, entre 2.2 et 4.4 nm, pour laquelle l’eau est transparente tandis que le carbone est encore absorbant. Cette fenêtre spectrale dit « de l’eau » permet de réaliser des images de cellules biologiques avec un fort contraste. La transparence de la matière ouvre la voie à l’imagerie non-destructive en 3 dimensions (3D). Enfin, d’une manière équivalente à la diminution de la limite de diffraction, le rayonnement XUV et X permet d’atteindre des durées d’impulsions plus courtes que dans le visible, typiquement attoseconde (1 as =10-18 s) et potentiellement zeptoseconde (1 zs =10-21 s). Dans ces perspectives, depuis plusieurs années, nous étudions de nouveaux schémas d’imageurs XUV et X en 3D et ultra-rapides.

Holographie XUV et diffraction XUV : Les harmoniques d’ordre élevé ainsi que les lasers XUV injectés sont des sources ayant de très hauts degrés de cohérence spatiale. Les harmoniques d’ordre élevé ont aussi démontré la possibilité de produire des impulsions attosecondes.

En 2006, nous avons réalisé une des premières démonstrations d’holographie réalisée avec un faisceau d’harmoniques d’ordre élevé [A. S. Morlens et al., Optics Letters, 31, 21, pp. 3095-3097 (2006)]

En 2013, nous avons étudié l’impact de défauts de front d’onde de la source d’harmoniques d’ordre élevé sur la qualité d’une image de diffraction XUV. [X. Ge et al, Optics Express, 21, 9, pp.11441-11447 (2013)]

En 2015, nous avons réalisé la première expérience d’holographie avec un faisceau contenant un train d’impulsions attosecondes. [G. Williams et al., Optics Letters 40, 13, 3205-3208 (2015)]

 

Tomographie X:  La technique de référence en imagerie X en 3 dimensions reste aujourd’hui encore la tomographie X, plus communément connue sous le nom de scanner. Les algorithmes classiques de traitement des données bruts de tomographie ne permettent pas de séparer la partie réelle de la partie imaginaire de l’indice de réfraction. Or, chacune de ces parties contient des informations spécifiques sur la matière sondée.  Il est donc intéressant de pouvoir les mesurer séparément

En 2018, nous avons réalisé des expériences de tomographie X afin d’estimer la distribution de nanoparticules radiosensibilisantes dans des tissues sains et tumoraux de souris. (fig.1 et 2)  [E. Longo et al., Journal of Instrumentation, 13 (2018)] [X. Le Guevel,  Nanoscale, 39, 18657-18664  (2018)]

Fig.1 : vue coronale d’un cerveau de souris ayant des tumeurs (gioblastome), encadré en jaune. Image réalisée par tomographie X.
Fig. 2 : Image de tomographie X en 3D d’une tumeur de souris injectée par des nanoparticules contenant du gadolinium. Plus l’image est blanche, plus la densité de gadolinium est forte.

En 2020, nous avons commencé à étudier numériquement et expérimentalement la possibilité d’utiliser un senseur de front d’onde à rayons X (technique Hartmann) pour mesurer en même temps mais indépendamment les parties réelle et imaginaire de l’indice optique des échantillons. Nous avons montré qu’il est possible de séparer les échantillons par leur composition chimique en utilisant les deux composantes de l’indice (fig. 3). Par la suite, nous avons montré que la radiographie par Hartmann X est beaucoup plus sensible que la radiographie, permettant, ici, de voir les grains dans un pépin de raisin (fig.4).

Fig.3 : Image de radiographie de Hartmann d’un ensemble de sphères de composition chimique différentes réalisée à 16 keV. La plus grosse sphère fait 0.5 mm, la plus petite 0.38 mm. Sur l’image de transmission (à droite), les 4 sphères les plus à droite semblent identiques tandis que l’image de phase montre qu’elles sont identiques 2 à 2. L’analyse postérieure a confirmée que les sphères qui apparaissent en gris clair étaient en silicium (cercle bleu) et les plus sombres en Al2O3 (cercle vert). [ O. de La Rochefoucauld, et al., Nondestructive Testing and Evaluation, 37, 5 p 707-720 (2022)]

 

Fig. 4 : Images d’un grain de raisin obtenues par absorption (radiographie classique) à gauche et par déflexion des rayons X à droite. Dans cette image, on distingue les pépins, invisibles en radiographie.

 

Plénoptique XUV et X : Aujourd’hui, en imagerie X, il est de plus en plus courant d’utiliser des scanners, aussi appelés tomographes X (X-ray computed tomography en anglais). Le principe de ces appareils consiste à enregistrer un très grand nombre d’images en 2 dimensions (2D) du même objet mais acquises sous différents angles puis de les combiner numériquement pour produire une image en 3 dimensions (3D) à laquelle on peut appliquer diverses techniques numériques pour « voir » à l’intérieur de l’objet sans être invasif. La tomographie X est réalisée soit en faisant tourner l’objet sur lui-même soit, et c’est le plus courant, en faisant tourner le bloc source X-détecteur autour de l’objet.

Cette technique de référence a certaines limitations :

  • La qualité de l’image en 3D dépend fortement du nombre d’images acquises en 2D donc de la dose de rayons X reçue par l’objet. En imagerie médicale, le nombre d’images est limitée mais en imagerie scientifique la qualité de l’image est cruciale et la dose devient très forte, pouvant endommager l’objet (cf fig. 5)
Fig. 5 : Image d’un cerveau de souris après une tomographie X. Seule la partie supérieure a été irradiée ; elle montre une forte dégradation.
  • La réalisation d’un grand nombre d’images 2D, 3600 dans le cas de la figure 5, prend du temps, limitant la possibilité de réaliser des films en 3D.

En 2016, nous avons reçu un financement européen de type FET-Open (projet VOXEL) pour collaborer avec cinq autres laboratoires et une entreprise sur la transposition de la technique dite plénoptique du visible aux rayons X. Le plénoptique consiste à coupler un senseur de front d’onde (ici une matrice de lentilles) avec une optique d’imagerie afin de réaliser en une acquisition un très grand nombre d’imagettes du même objet. Par traitement numérique, on peut créer un ensemble d’images focalisées à différentes distances, comme on le fait physiquement en utilisant un zoom. De cet ensemble, on peut reconstruire l’objet en 3D.

Fig. 6 : Schéma de principe d’une caméra plénoptique X.

En 2019, nous avons étudié la variation du contraste dans les images refocalisées numériquement car état un paramètre classique pour évaluer si un objet est mis au point ou hors champs. [C. Herzog et al, Optics Letters, 2019]. Nous avons aussi réalisé la première démonstration de caméra plénoptique X (à 11 keV) [E. Longo, et al., MDPI Photonics 9, 2, p98 (2022)].

En 2020, nous avons étudié la correspondance entre le plénoptique et la tomographie à angles de vue limités. [N. Vigano et al, J. Imaging, 6, 12 (2020)]. Nous avons aussi étudié numériquement la qualité des images formées par des lentilles de Fresnel X ayant très peu de traits [Ying Li, Sensors, 20, 22, 6649 (2020)]. Ce sont des lentilles très particulières que l’on utilise dans la matrice de lentille X de la caméra plénoptique.

Nos travaux actuels visent à améliorer la résolution le long de l’axe de prise de vue afin de se rapprocher de qualité des images tomographiques. Nous travaillons aussi bien sur le développement de nouvelles architectures de caméras X plénoptiques que sur le software de rendu.